L’aluminium généralités et effets sur la santé humaine

Les textes définissant les caractéristiques de qualité des eaux destinées à la consommation humaine précisent une limite de concentration en aluminium à 200 µg/L, cet élément pouvant être nocif pour la santé humaine. Certains tuyaux d’adduction d’eau potable utilisent des revêtements intérieurs à base de matériaux cimentaires, notamment des matrices à base de ciment CEM III conférant au revêtement une meilleure durabilité comparativement aux autres ciments, néanmoins ce type de ciment contient des quantités significatives d’aluminium. La lixiviation des tuyaux d’adduction d’eau en service peut entraîner un relargage de l’aluminium dans l’eau potable. Cependant, dans la littérature, on ne recense que peu de données concernant la lixiviation des matrices cimentaires à base de ciments CEM III, contrairement à la lixiviation des matrices de CEM I qui a été plus amplement explorée. En outre, l’aluminium, élément d’intérêt principal de notre étude, n’est généralement pas analysé du point de vue de la lixiviation. Les études menées jusqu’à présent s’intéressent essentiellement aux éléments majeurs, et principalement au calcium, ou aux métaux lourds et autres polluants. En outre, la microstructure et la composition chimique des hydrates des pâtes de ciments aux laitiers sont encore assez mal connues. En effet, certains de ces hydrates sont faiblement cristallisés, ce qui rend la détermination de leur microstructure difficile avec les outils classiques de caractérisation minéralogique (DRX).

L’aluminium : généralités et effets sur la santé humaine

Généralités

L’aluminium est le troisième élément le plus abondant de la croûte terrestre (qui en est composée à 8 %massique) après l’oxygène (42 %massique) et le silicium (28 %massique). A l’état naturel, il est combiné avec d’autres éléments, par exemple l’oxygène (sous forme d’alumine, Al2O3), le silicium ou le fluor. Il est principalement présent dans les roches (bauxite, kaolin, feldspath, mica, corindon, rubis, saphir…) et dans les minerais argileux. La bauxite contient entre 40 et 60 % d’alumine et est le principal minerai utilisé pour la production d’aluminium [9]. L’aluminium est un élément naturellement présent dans l’eau (souterraine ou de surface) suite à l’érosion des roches. Suivant leurs origines, les eaux sont plus ou moins concentrées en aluminium :
– eau douce de surface : < 100 µg/L
– eau de mer : < 1 µg/L
– eau souterraine : < 100 µg/L.

Suivant le pH de l’eau, la température et la concentration en aluminium, cet élément chimique peut être sous différentes formes : (i) sous forme ionique (soluble) pour des pH < 6, i.e. Al3+ pour des pH <4, Al(OH)2+ et Al(OH)2+ pour des pH compris entre 4 et 6, (ii) sous forme solide Al(OH)3 pour des pH compris entre 5 et 8, et (iii) sous forme ionique pour pH > 8, i.e. Al(OH)4- pour des pH compris entre 8 et 11 et Al(OH)₅²⁻ pour des pH > 11 .

D’après la directive européenne en vigueur, le pH d’une eau potable est compris entre 6,5 et 9,5. A ces pH, l’aluminium est présent sous la forme d’Al(OH)3 et d’Al(OH)4- . Lorsque l’aluminium est complexé aux nitrates, sulfates ou chlorures, cet élément est soluble dans l’eau [9].

Au cours des siècles, les matériaux contenant de l’aluminium solide (métallique) ont été de plus en plus utilisés pour leurs propriétés physiques, chimiques et mécaniques intéressantes : basse densité, grandes malléabilité et ductilité, bonne conductivité électrique et chimique, résistance à la corrosion, à la traction et pratiquement recyclable à l’infini. L’aluminium est ainsi utilisé pour fabriquer des cannettes, des barquettes alimentaires ou encore des ustensiles de cuisine.

L’aluminium est également utilisé dans l’industrie pharmaceutique (pansements gastriques, antiacides, adjuvants de vaccins, verre pharmaceutique), en chirurgie (céramiques en chirurgie orthopédique et dentaire, alliages dans les implants orthopédiques), en cosmétologie (antiperspirants, produits de maquillage…) ainsi que dans le traitement des eaux d’alimentation (agent floculant et clarifiant) [9] et dans le génie civil pour la fabrication du ciment : le clinker et les principales additions cimentaires (laitier, métakaolin…) en contiennent.

L’aluminium est donc un métal très présent dans notre environnement.

Les effets de l’aluminium sur la santé

L’aluminium a longtemps été considéré comme inoffensif pour l’homme car il est peu absorbé par l’intestin. Cependant, cet élément peut être toxique. Les effets de l’aluminium sur la santé ont été surtout observés sur des personnes dialysées qui sont fortement exposées à l’aluminium lors de leurs traitements (le liquide de dialyse est riche en aluminium et une prescription médicamenteuse contenant de l’hydroxyde d’aluminium est réalisée) [9]. Ces effets sont divers :

– Effets neurologiques : des encéphalopathies (pathologie de l’encéphale) ont été observées sur des sujets dialysés. Il n’y a pas eu d’encéphalopathies observées liées à l’ingestion d’aluminium en population générale.
– Effets osseux : l’aluminium se fixe principalement sur les os. Différentes maladies osseuses (ostéodystrophie, par exemple) ont été observées chez les patients dialysés et plus rarement en population générale après plusieurs années de prise d’antiacide, riche en aluminium.
– Anémie : de rares études cliniques et épidémiologiques ont montré la présence d’une anémie hypochrome (diminution du taux d’hémoglobine dans les globules rouges) chez les insuffisants rénaux chroniques présentant une charge importante en aluminium.

D’autres pathologies ont été étudiées sans que l’on puisse conclure à un effet de l’aluminium :
– Cancers : des cancers du poumon et de la vessie ont été mis en évidence chez les professionnels de l’industrie de l’aluminium. Cependant, des facteurs autres que l’aluminium peuvent également être mis en cause.
– Système respiratoire : des fibroses pulmonaires ont été observées chez les professionnels de l’industrie de l’aluminium lors d’expositions massives à de l’aluminium pulvérulent sous formes de vapeurs. Des symptômes (asthme et bronchite de type irritatif) peuvent être observés dans les fonderies d’aluminium. Cependant, d’autres produits utilisés peuvent également être responsables de ces symptômes.
– Maladie d’Alzheimer : actuellement, le lien entre l’aluminium et la maladie d’Alzheimer repose sur la présence plusimportante d’aluminium dans le cerveau de malades d’Alzheimer que dans la population générale, ainsi qu’à des associations observées entre l’exposition hydrique à l’aluminium et la fréquence des démences ou de la maladie d’Alzheimer dans certaines études épidémiologiques. Toutefois, il n’y a pas assez d’éléments scientifiques pour considérer que l’aluminium a un lien causal avec la maladie d’Alzheimer. Chez l’homme, aucune étude ne peut permettre d’explorer si la formation des dégénérescences neurofibrillaires (où est accumulé l’aluminium) est une conséquence ou non de l’accumulation de l’aluminium dans le cerveau [9], [11]. En revanche, des éléments suggèrent que l’accumulation d’aluminium dans le cerveau des malades d’Alzheimer serait un phénomène secondaire de la maladie, notamment du fait d’une plus grande absorption intestinale d’aluminium chez ces malades. Les études réalisées parmi les populations plus fortement exposées (personne dialysées, professionnels de l’industrie d’aluminium), ne permettent pas d’affirmer le rôle exact de l’aluminium dans la maladie d’Alzheimer. Dans les cerveaux des personnes dialysées, les concentrations en aluminium sont élevées, mais des dégénérescences neurofibrillaires sont rarement retrouvées [9]. D’autres études montrent que la consommation chronique d’aluminium peut accroître le risque de développer la maladie d’Alzheimer .

Limitations de la teneur en aluminium dans les eaux de consommation humaine

Depuis 1998, la concentration en aluminium dans les eaux potables destinées à la consommation humaine est limitée à 200 µg/L par la directive européenne 98/83/CE [4]. Plus récemment, l’arrêté du 11 janvier 2007 relatif aux limites et références de qualité des eaux brutes et des eaux destinées à la consommation humaine complète la législation sur la qualité des eaux potables. L’organisation mondiale de la santé a également publié des directives concernant la qualité pour l’eau de boisson [16]. Cette partie a permis de mettre en évidence que l’eau destinée à la consommation humaine est susceptible de contenir naturellement de l’aluminium. Pour les eaux douces de surface et les eaux souterraines, la concentration en aluminium est inférieure à 100 µg/L. Entre le moment de sa captation (nappe, eau de surface) et celui de sa consommation, l’eau peut s’enrichir en aluminium lors de son transport, son traitement en usine ou son stockage dans des infrastructures et des canalisations qui peuvent être revêtues intérieurement avec des matériaux cimentaires. Les tuyaux d’adduction d’eau potable faisant l’objet de cette thèse utilisent un revêtement cimentaire composé de ciment CEM III. L’eau de consommation circulant à l’intérieur est donc susceptible de s’enrichir en ions provenant de ces revêtements cimentaires et plus particulièrement en aluminium.

Le ciment au laitier de haut-fourneau

Le ciment au laitier de haut fourneau, noté CEM III dans la désignation normalisée des ciments [7], est composé de clinker et de laitier de haut fourneau. La norme NF EN 197-1 définit différents types de ciments CEM III suivant le pourcentage de ces deux constituants [7] :
– CEM III/A constitué de 35 à 64 % de clinker et de 36 à 65 % de laitier de haut-fourneau,
– CEM III/B constitué de 20 à 34 % de clinker et de 66 à 80 % de laitier de haut-fourneau,
– CEM III/C constitué de 5 à 19 % de clinker et de 81 à 95 % de laitier de haut-fourneau.

Dans cette partie, les différents constituants des ciments CEM III (clinker et laitier) ainsi que leurs mécanismes d’hydratation sont présentés .

Le clinker

Le clinker résulte de la cuisson à haute température (1450 °C) d’un mélange composé de 80 % carbonate de calcium (calcaire) et de 20 % d’argile. Il est le composant majoritaire (95 %) du ciment Portland.  Cette composition va varier suivant l’usine de fabrication du clinker et les sources de matières premières utilisées.

Le laitier granulé de haut-fourneau

Obtention et nature
Le laitier de haut-fourneau est un sous-produit de l’industrie sidérurgique. Il est obtenu dans les hauts fourneaux lors de la production de fonte. Lors la fabrication de la fonte, un minerai riche en fer, du coke (combustible obtenu par pyrolyse de la houille) et du fondant (fondant calcaire ou magnésien) sont introduits par le haut du haut-fourneau (gueulard) et portés à haute température (1400-1600 °C). Après plusieurs heures, la fonte est récupérée en partie basse du haut-fourneau avec le laitier surnageant. Le laitier se sépare alors de la fonte par différence de densité. Ce dernier est alors soit vitrifié pour être utilisé dans l’industrie cimentaire comme addition minérale, soit cristallisé et utilisé, par exemple, comme granulat De la laine de laitier peut également être fabriquée et utilisée comme isolant thermique. Le laitier utilisé comme addition cimentaire ne peut donc pas être considéré comme un déchet de la fabrication de la fonte, mais comme un co-produit. En effet, la vitrification du laitier demande un équipement spécifique et représente un investissement coûteux pour le producteur de fonte. La valorisation du laitier en tant qu’addition cimentaire dépend donc de la stratégie du producteur et de la rentabilité de l’opération.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Etude bibliographique
Introduction
1. L’aluminium : généralités et effets sur la santé humaine
1.1. Généralités
1.2. Les effets de l’aluminium sur la santé
1.3. Limitations de la teneur en aluminium dans les eaux de consommation humaine
2. Le ciment au laitier de haut-fourneau
2.1. Le clinker
2.2. Le laitier granulé de haut-fourneau
2.2.1 Obtention et nature
2.2.2. Intérêts et inconvénients de l’utilisation des laitiers de haut fourneau comme addition cimentaire : vue d’ensemble
2.3. L’hydratation du CEM III
2.3.1. Hydratation du clinker
2.3.2. Activation de l’hydratation du laitier
2.3.3. Hydratation des ciments au laitier de haut-fourneau
3. Hydrates alumineux des matrices cimentaires de CEM III
3.1. Les C-A-S-H
3.1.1. Les C-S-H
3.1.2. Les C-A-S-H
3.3. L’ettringite
3.4. Les AFm
3.5. L’hydrotalcite
3.6. L’hydrogrenat
4. Lixiviation des matériaux cimentaires
4.1. Principe
4.2. Lixiviation des matrices cimentaires à base de ciment CEM I
4.3. Lixiviation des matrices cimentaires à base de ciment CEM III
4.4. Influence de l’environnement
4.4.1. Influence du pH
4.4.2. Influence de la température
4.4.3. Influence de la composition de la solution de lixiviation
4.4.4. Influence de la carbonatation
Conclusion
Chapitre II : Matériaux et méthodes
Introduction
1. Matériaux cimentaires
1.1. Préparation des pâtes cimentaires contenant différents taux de laitier
1.2. Matériaux cimentaires utilisés lors des essais de lixiviation semi-dynamiques
1.3. Matériaux cimentaires utilisés lors de l’essai de lixiviation semi-dynamique sur échantillons broyés
1.4. Revêtements cimentaires étudiés
2. Essais de lixiviation semi-dynamiques
2.1. Présentation de l’essai de lixiviation semi-dynamique
2.2. Essais de lixiviation semi-dynamiques réalisés sur pâte cimentaire broyée
2.3. Essais de lixiviation semi-dynamiques sur échantillons monolithiques
2.4. Essais de lixiviation semi-dynamiques sur revêtements cimentaires
3. Analyse des lixiviats
4. Analyses réalisées sur les matériaux cimentaires
4.1. Analyses réalisées sur les pâtes de ciment contenant différents taux de laitier
4.2. Analyses réalisées sur les échantillons monolithiques de pâtes de ciment témoins et lixiviées monolithiques
4.3. Analyses réalisées sur les échantillons broyés lixiviés
4.4. Analyses réalisées sur les revêtements de tuyaux
5. Analyse des matériaux témoins
5.1. Analyse de la pâte de ciment CEM III
5.2. Analyse de la pâte de ciment CEM I
6. Caractérisation des échantillons de pâtes de ciment avec différentes proportions de laitier
6.1. Analyses chimiques par MEB et EDS des pâtes cimentaires
6.2. Analyses minéralogiques par DRX des pâtes de ciment au laitier
6.3. Analyses thermogravimétriques des pâtes de ciment au laitier
6.4. Conclusion de l’analyse des pâtes de ciment avec différentes proportions de laitier
7. Outils de modélisation
Chapitre III : Etude de la lixiviation de pâtes cimentaires CEM III broyées
Introduction
1. Etude du comportement à la lixiviation des pâtes de CEM III broyées
1.1. Lixiviation à l’eau ultra pure
1.1.1. Etude des solutions de lixiviation
1.1.2. Etude du matériau lixivié
1.2. Lixiviation à l’eau minéralisée
1.2.1. Etude des solutions de lixiviation
1.2.2. Etude du matériau lixivié
2. Influence du laitier dans le relargage de l’aluminium lors de la lixiviation des pâtes cimentaires CEM III
2.1. Essais de lixiviation sur le laitier broyé
2.1.1. Etude des solutions de lixiviation
2.1.2. Etude du laitier lixivié
2.2. Essais de lixiviation sur la pâte de ciment CEM I
2.2.1. Etude des solutions de lixiviation
2.2.2. Etude du matériau lixivié
3. Discussion
3.1. Comparaison des essais de lixiviation à l’eau pure et à l’eau minéralisée
3.2. Calcul d’un coefficient de lixiviation
Conclusion
Chapitre IV : Modélisation thermodynamique et cinétique de la lixiviation des pâtes cimentaires CEM III
Introduction
1. Mise en place de la base de données thermodynamiques
2. Modélisation thermodynamique des essais de lixiviation sur matériaux broyés à l’aide de PhreeqC
2.1. Démarche mise en place pour modéliser thermodynamiquement la lixiviation semi-dynamique des échantillons broyés
2.2. Modélisation thermodynamique de la lixiviation semi-dynamique du laitier broyé à l’eau ultra pure
2.3. Choix de la composition initiale d’une pâte cimentaire CEM III
2.3.1 Détermination de l’assemblage minéralogique de la pâte cimentaire CEM III
2.3.2 Calcul de l’assemblage minéralogique initial de la pâte cimentaire CEM III par modélisation thermodynamique
2.4. Modélisation thermodynamique de la lixiviation semi-dynamique de la pâte cimentaire CEM III broyée à l’eau ultra pure
2.5. Influence du pH lors de la modélisation thermodynamique de la lixiviation semi-dynamique des échantillons broyés
2.5.1. Modélisation thermodynamique de la lixiviation semi-dynamique du laitier anhydre broyé à l’eau ultra pure
2.5.2. Modélisation thermodynamique de la lixiviation semi-dynamique de la pâte cimentaire CEM III broyée à l’eau ultra pure
3. Simulation thermodynamique et cinétique des essais de lixiviation sur matériaux broyés
3.1. Démarche mise en place pour simuler la lixiviation semi-dynamique des échantillons broyés à l’aide de Sumo
3.1.1. Création de la base de données cimentaires pour le logiciel Sumo
3.1.2. Mise en place de l’essai de lixiviation semi-dynamique avec le logiciel Sumo
3.2. Simulation de la lixiviation du laitier broyé avec Sumo
3.3. Simulation de la lixiviation de la pâte de CEM III broyée avec Sumo
3.3.1. En utilisant la composition de pâte de CEM III précédemment modélisée
3.3.2. En utilisant une seconde composition de pâte de CEM III
3.4. Simulation à long terme de la lixiviation de la pâte de CEM III broyée
4. Discussion
4.1. Comparaison et limite des méthodes de simulation utilisées
4. 2. Evolution des phases minérales au cours de la lixiviation
Conclusion
Chapitre V : Etude de la lixiviation de pâtes de ciment CEM III monolithiques
Introduction
1. Comportement à la lixiviation de pâte de CEM III en conditions sévères (eau ultra pure) et réalistes (eau minéralisée)
1.1. Lixiviation de la pâte cimentaire CEM III à l’eau ultra pure
1.1.1. Analyse des lixiviats
1.1.2. Analyse du matériau lixivié
1.1.3. Influence de l’état de surface de l’échantillon
1.2. Lixiviation de la pâte cimentaire CEM III à l’eau minéralisée
1.2.1. Analyse des lixiviats
1.2.2. Analyse du matériau lixivié
2. Influence de la présence d‘ions en solution sur la lixiviation de la pâte cimentaire CEM III
2.1. Etude des mécanismes de lixiviation : influence du Mg
2.1.1. Analyse des lixiviats
2.1.2. Analyse du matériau lixivié
2.2. Etude de l’influence de l’aluminium sur la lixiviation
2.2.1. Analyse des lixiviats
2.2.2. Analyse du matériau lixivié
3. Discussion
3.1. Comparaison des essais de lixiviation
3.2. Lixiviation de l’aluminium
3.2.1. Mécanisme de lixiviation
3.2.2. Concentration de l’aluminium lixiviée
3.2.3. Précipitation de gibbsite
Conclusion générale

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